光电检测总结

光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应：被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。包括：光电导效应、p-n结光伏效应光生伏特效应外光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光电导效应两种，本征半导体或杂质半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴。光生电子与空穴使半导体的电导率发生变化。这种在光的作用下由本征吸收引起的半导体电导率的变化现象称为本征光电导效应。光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，并分别向如图1-11所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。外光电效应或光电发射效应：当物质中的电子吸收足够高的光子能量，电子将逸出物质表面成为真空中的自由电子的现象。包括：光电子发射效应光电发射第一定律：当入射辐射光谱分布不变时，饱和光电流与入射的辐通量成正比。光电发射第二定律：发射的光电子的最大功能随入射光子频率的增加而线性增加。光源分类：热辐射光源、气体放电光源、固体发光光源、激光器发光二极管（即LED）是一种注入电致发光器件，它由P型和N型半导体组合而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光两种。获得激光输出的3个必要条件为：①必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源；②要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；③有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。粒子数反转：从外部给工作物质提供能量使载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或称粒子分布的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。谐振腔：在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜形成光的“共振”现象，通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。物质的光电导效应：某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象。光电导器件或光敏电阻。光敏电阻特点:具有体积小,坚固耐用,价格低廉,光谱响应范围宽等优点.应用于微弱辐射信号的探测领域。光敏电阻基本特性参数：包含光电导特性、时间响应、光谱响应、伏安特性、温度特性、噪声特性与光谱响应。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。这个特性称为光敏电阻的光电特性。光敏电阻的主要噪声有热噪声、产生复合和低频噪声(或称1/f噪声)。原理：在均匀的具有光电导效应的半导体材料的两端加上电极便构成光敏电阻。当光敏电阻的两端加上适当的偏置电压Ubb（如图3-1所示的电路）后，便有电流Ip流过，用检流计可以检测到该电流。光电二极管的基本特性①灵敏度：定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化（例如通量变化dΦ）引起电流变化dI与辐射量变化之比。②光谱响应：光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线；③时间响应；④噪声，包含低频噪声Inf、散粒噪声Ins和热噪声InT等3种噪声。其中，散粒噪声是光电二极管的主要噪声，低频噪声和热噪声为其次要因素。；光电三极管的工作原理分为两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。特性：①伏安特性，光电三极管在偏置电压为零时，无论光照度有多强，集电极电流都为零。偏置电压要保证光电三极管的发射结处于正向偏置，而集电结处于反向偏置。随着偏置电压的增高伏安特性曲线趋于平坦。光电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值随光电流的增大而增大。；②时间响应（频率特性），由四部分组成：（①光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间；（②光生载流子渡越基区所需要的时间；（③光生载流子被收集到集电极的时间；（④输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间；总时间常数为上述四项和。③温度特性；④光谱响应光电位置敏感器件（PSD）工作原理：当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。LIIIIxLxLIILxLIIAAA1212020122光电倍增管（Photo-multipletube简称为PMT）是一种真空光电发射器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。结构：PMT的入射窗结构、倍增极结构原理：①A光子通过入射窗口入射到电阴极K上②光电阴极电子受光子激发，离开阴极表面发射到真空中③光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极上，经N级倍增极倍增后，光电子被放大N倍④经倍增后的二次电子被阳极P收集形成阳极光电流，在负载上产生信号电压。基本特性：①灵敏度（阴极灵敏度：定义光电倍增管阴极电流Ik与入射光谱辐射通量之比为阴极的光谱灵敏度；阳极灵敏度：定义光电倍增管阳极输出电流Ia与入射光谱辐射通量之比为阳极的光谱灵敏度，）；②电流放大倍数（增益），电流放大倍数表征了光电倍增管的内增益特性，它不但与倍增极材料的二次电子发射系数δ有关，而且与光电倍增管的级数N有关，理想光电倍增管的增益G与电子发射系数δ的关系为G=δn③暗电流；④噪声，主要由散粒噪声和负载电阻的热噪声组成。；⑤伏安特性；⑥线性，一般由它的阳极伏安特性表示，不仅与光电倍增管的内部结构有关，还与供电电路及信号输出电路等因素有关。(1)内因，即空间电荷、光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率等的变化，(2)外因，光电倍增管输出信号电流在负载电阻上的压降对末级倍增极电压产生负反馈和电压的再分配都可能破坏输出信号的线性。⑦疲劳与衰老，电子束较强时影响阴极和倍增极的电子发射能力，使灵敏度下降，甚至使光电倍增管的灵敏度完全丧失。因此，必须限制入射的光通量使光电倍增管的输出电流不得超过极限值IaM。特点：具有极高的光电灵敏度、极快的响应速度、极低的暗电流低和噪声，还能够在很大范围内调整内增益光电耦合器件特点：①输入与输出间对电信号隔离，可实现电气隔离与消除噪声的影响②抗干扰能力强，性能稳定③信号单向传输④响应快⑤发光管和接收管间绝缘较好，耐压值高热敏电阻，凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件。特点：①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～100倍。②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤不足之处是稳定性和互换性较差。主要参数：（1）电阻-温度特性，热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，（2）热敏电阻阻值变化量（3）热敏电阻的输出特性（4）冷阻与热阻（5）灵敏度（响应率）增加热敏电阻的灵敏度的措施：①增加偏压Ubb但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；②把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加热阻，其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失，常将元件装入真壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上；④选用大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高值。（6）最小可探测功率，热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有：热噪声、温度噪声、电流噪声。分类：正温度系数热敏电阻(PTC）、负温度系数..(NTC），临界温度系数..(CTR），线性热敏电阻（LPTC）应用：PTC：恒温加热，过流保护，过热保护，彩电消磁；NTC：液位传感器，智能风扇，温度补偿，软启动热电偶探测器，热电偶是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。如图6-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图6-6（a）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差ΔE。回路电流I=ΔE/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）(SeebeckEffect)。热电偶是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。如图6-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图6-6（a）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差ΔE。回路电流I=ΔE/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）(SeebeckEffect)。热电偶的基本特性参数：（1）灵敏度（响应率），提高热电偶的响应率最有效的办法除选用塞贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率α，减小内阻Ri，减小热导GQ等措施都是有效的。对于交流响应率，降低工作频率，减小时间常数τT，也会有明显的提高。（2）响应时间，约为几毫秒到几十毫秒左右，（3）最小可探测功率，热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。优点：①具有较宽的频率响应，有效时间常数可低达10-4~3×10-5s；②热释电器件的探测率高；③热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；④受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。CCD，工作过程：①电荷的产生与注入，②电荷的存储，以点荷包的形式存储在电极下的势阱中，③改变电极上的电压，是信号以电荷耦合的形式按顺序传输，④输出信号电荷并检测。基本工作原理?(不确定）：1.电荷存储：紧密地排列在半导体氧化层表面上的金属电极能够存储和转移电荷。势阱中电荷的存储容量：Q=COXUG。，2.电荷耦合电极结构：三相单层铝电极结构、三相电阻海结构、三相交叠硅栅结构、二相硅-铝交叠栅结构、阶梯状氧化物结构、四相CCD、体沟道CCD特性参数：①电荷转移效率η和电荷转移损失率ε，)0()(1)0()()0(QtQQtQQ，)0()(QtQ，②驱动频率：下限：电荷从一个电极转移到另一个电极所用的时间t，少数载流子的平均寿命为τi，i31f；上限：电荷从一个电极转移到另一个电极的固有时间为τg，g31f光电编码器分类：绝对式光电编码器（分为光电轴编码器和光电直线编码器），增量式光电编码器光源按其发光机理分为自然光源与电光源两大类。发光二极管的发光机理①PN结注入发光：PN结处于平衡时，存在一定的势垒区，其能带如图2-15所示。当加正偏压时，PN结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要发生在p区。②异质结注入发光：为了提高载流子注入效率，可以采用异质结。图2-16a表示理想的异质结能带图。由于p区和n区的禁带宽度不相等，当加上正向电压时小区的势垒降低，两区的价带几乎相同，空穴就不断向n区扩散。对n区电子，势垒仍然较高，不能注入p区。这样，禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区成为载流子复合发光的发光区（图2-16b）。发光二极管的主要特点：①工作电压低，有的仅需1.5～1.7V既能导通发光②工作电流小，其典型值约10mA③具有与普通晶体二极管相似的单向导电性能，只是死区电压略高些④具有和硅稳压二极管相似的稳压特性⑤响应时间快，从加电压到发出光的时间大于小于1ms⑥寿命长，一般可达10万小时以上发光二极管的分类：①按LED的发光颜色可分成红色，橙色，绿色，蓝色等。此外根据LED出光处掺或不掺散射剂，有色还是无色，上述各种颜色的LED还可分成有色透明，无色透明，有